雷达传感器如何显著提高智能家居的能源效率

本文作者：Bernd Kohler，英飞凌科技股份公司物联网雷达传感器产品经理和营销人员

智能家居应用和连接设备的数量不断增长，用户的日常生活越来越方便。但是，这却导致了高能耗，因为即使无人在场，这些设备通常也处于长期活跃或待机模式，以便随时投入使用。这些设备配备采用英飞凌 XENSIV™ 毫米波雷达传感器的智能设备后，不但可提高能效，而且更加智能，更加可持续。

智能楼宇和智能家居日益受到欢迎，预计其数量将在未来数年内大幅增长：目前，估计全球智能家居数量已超过 2 亿，预计这一数字将在今后几年内突破 5 亿。、

预计未来几年内的全球智能家居数量将超过 5 亿

房屋的智能化离不开越来越数字化的设备，这些设备的巧妙功能前所未有。但是，设备成本亦居高不下：尽管过往的待机功耗呈稳步下降趋势，但对能源的需求却持续增长。智能设备即使处于“关闭”状态也需要能量，因其只能选择待机模式，才可即时响应用户输入（例如通过语音控制）或提供来自智能家居或网络的最新信息。此外，很多时候，设备完全不必以待机模式运行并因此消耗能量——主要是无人在场的情形。

为解决这一问题并满足数字化和节能的要求，英飞凌充分利用了自己的半导体解决方案。其中就包括 XENSIV™雷达传感器，几乎可用于所有智能家居设备。雷达传感器的灵敏度非常高，可检测是否有人在场及设备是否需准备就绪——类似于屏幕保护程序，如果一定时间内无鼠标或键盘输入，则停用 PC 显示器，而在检测到新输入时立即重新激活。借助这项可靠的在场和离开检测技术，英飞凌毫米波雷达可为真正智能、节能设备的设计提供支持。

用户在场触发活动与持续活动或待机

2021 年德国的一项Statista调查表明，在 3000 多名年龄为 18 至 64 岁的德国人中，四分之三以上拥有至少一台智能家居设备。在美国，统计数字非常接近。

据 Statista 调查，美国家庭中的智能设备数量正在迅速增长

而在中国，智能家居设备用户的占比高达90%。这些设备与其应用多种多样，包括：照明、安全设备；电视、笔记本电脑和条形音箱等消费电子产品；厨房电器和空调。但是，所有设备都在增加对能源的需求，节能效果非常不好，尤其是在能源成本不断上涨阶段，而客户更喜欢节能、可持续和环保的设备。此外，电网基础设施所面临的压力也越来越大。

无人在场时，降低能耗的一种方法是将恒温器、智能扬声器或数字助手等设备置于“深度睡眠模式”，而不是使其处于正常待机模式。对于某些设备，这样仅可节省几瓦或一小部分能源。但也有一些使用情况，如果将设备置于深度睡眠模式或暂时关闭，则可节省超过 100 瓦，因为无人在场时，无需使用电视屏幕、笔记本电脑、音响系统或空调等设备。使用雷达传感器后，这些设备就能感测人员是否在场或是否移动；如果仍然没有此类脉冲，基于雷达的智能设备就可自动切换至睡眠模式，从而节省能源。根据传感器和实施的不同，雷达模块本身的功耗仅为几 mW，最高为 0.1 W，这远低于许多电子设备的通电或标准待机模式的能量需求。

如何使用雷达传感器来提高能源效率

为节省能源，需重新探寻设备必须始终可用且保持连接的方法——也包括耗电的待机模式。我们要求，仅当用户真正需要时，也就是用户在场时，设备才处于活动或待机状态。这就是我们目前在“非智能”家中所做的事情，进入房间后才开灯，或仅在室内太热时手动启动空调。然而，在许多设备中，用户仍未使用，甚至禁用诸如超时之类的省电功能。主要是因为那些与高级功能相关的特性通常会导致启动时间过长，以及缺乏最新信息，尤其是在麻烦的手动重新激活之后，因此会明显影响客户体验。

但是，新智能方法可以解决许多问题：为何必须打开恒温器的显示屏，为何设备本身必须连接到互联网才能下载天气数据？即使监控区域内无人移动，为何家庭安全系统的摄像头仍始终开启、记录数据、预处理数据并将其传输到云端？实现更智能设备激活方式的最佳方法是实施运动检测，通过部署雷达传感器将设备从深度睡眠模式中唤醒。

例如，可默认关闭智能恒温器，而仅激活雷达检测模块。只要雷达检测到房间内的移动，恒温器就会启动，从而更新房屋的标准数据和源自互联网的天气数据。如果有人进入规定区域，例如 1 m 以内，显示屏会打开。因此，用户无需触摸屏幕即可将其激活，然后等待数据更新和结果显示。这种在场检测概念可部署至其他各类智能家居设备和电器中。

此外，如果应用空位检测的反向原理，还可提高节能潜力。在这种情况下，如果一段时间内未检测到房间内有任何移动，则可关闭电视、扬声器、智能灯和空调等设备，这样可大幅降低功耗。由于空位检测不是立即激活设备，而是一段时间内无人时有针对性地停用，因此传感器模块本身可保持停用状态，并且每隔几秒或几分钟执行一次检查。因而，此类传感器模块可为整个系统节省大量能源，而自身消耗却很低。部署 HVAC 系统的楼宇尤其可因此而受益，因为尽管无人在场，但大部分能源都浪费于供暖和制冷。[1] 更糟糕的是，大多数时候，这些设备均会频繁且长时间运行 [2]。但是，真正的智能家居会在一段时间内无人时停用这些系统。该功能在照明系统中逐渐普及，但在空调和其他设备（如监视器、厨房电器、计算机、扬声器和音响系统）中尚未普及。

尽管如此，用户也可受益于电视等其他应用中的空位检测。例如，英飞凌 BGT60LTR11AIP 雷达传感器已用于三星 Frame TV 2021，在用户规定的时间内，如果附近无人，则使电视从艺术模式切换至睡眠模式。这样不仅可节省能源，还能延长显示器的使用寿命。

雷达传感器是最合适的智能家居设备感测选择

在所有可用运动检测解决方案中，对于最小幅度的运动，甚至是肉眼看不见的运动，雷达传感器的灵敏度最高。PIR 传感器的灵敏度无法相提并论。此外，雷达不像 PIR 传感器那样依赖体热，因其采用的是主动感测技术。从而确保检测到几乎没有移动或根本没有移动的人。然而，最大的优势之一却是可以穿透非导电材料进行检测。虽然红外、超声波、摄像头或其他基于图像的传感器不得遮盖或需要在产品外壳上开孔，但雷达传感器可完全隐藏在设备内。因此，您不必在产品设计方面做出任何妥协，且可避免额外的制造步骤以及因此而更改外壳的成本。

另一种可能性是基于摄像头的运动检测，例如用于摄像头、电视、笔记本电脑或其他已配备合适图像传感器的设备。但是，图像系统的功耗非常高，可能需要良好的光照条件，并且需要图像处理来检测视频中的运动，这无疑增加了能量需求。您还可能指责缺乏隐私，因为摄像头系统会侵入私人空间——因此用户并不完全信任。

此外，消费电子价格下降增加了组件的成本压力。因此，3D ToF（飞行时间）和摄像头传感器通常因过于昂贵而无法用于在场检测。而功能强大的 PIR 解决方案，不仅影响产品外壳设计，还需额外的菲涅耳透镜、放大器、控制器等，从而增加 BOM（物料清单）成本。英飞凌 BGT60LTR11AIP 雷达传感器所需支持组件最少，尤其是在自主运行中，因此对系统成本的影响最小。雷达传感器体积很小，因此也可集成到小而薄的电子设备中。

雷达传感器支持的其他智能功能

用户通常意识不到，设备操作不当也会导致不必要的功耗。他们可能在暂时离开时没有关闭设备或调整设置，从而在无意中浪费了能源。但是，在雷达传感器的帮助下，此时可自动进行调节，因此，用户即使什么都不考虑，也不会浪费能源。

除用作在场或离开检测器外，雷达传感器还可为智能设备添加其他功能，例如在空调系统中。在这类应用中，雷达传感器与温度和 二氧化碳传感器结合使用时效率最高，因此系统会根据需要启动——比如有人在房间内、二氧化碳浓度过高或温度超过预定义极限时。其他传感技术通常只提供在场或离开等二进制信息，而雷达传感器却可提前检查房间内人数并相应进行调整，甚至可检查人员位置和距离，从而控制气流方向。

还有许多其他可能用例，例如跟踪聆听者位置并据此不断优化音量和声音参数的音响系统。或者可看护儿童的电视，能够测量观看者的距离，并在儿童的眼睛距离屏幕太近时发出警告。还可用于老年人或需护理人员所用的设备中，例如在跌倒时寻求帮助的警报系统。因此，雷达传感器不仅可节省能源并改善人们的舒适度，还可在智能环境中为个人护理和安全做出贡献，而这一切都轻而易举。

此外，雷达传感器在多尘、多烟或潮湿的环境中也很非常耐用，而某些基于激光的 ToF 传感器或其他图像传感器可能难以在这样的环境中实现检测。

参考文献

[1] Martani、Claudio 等人：ENERNET：建筑使用率与能源消耗之间的动态关系研究。能源与建筑，2011

[2] Norford、L.K 等人：“低能耗”办公楼的测量性能与预测性能之间的二比一差异：基于 DOE-2 模型的调节见解。能源与建筑，1994

Bernd Kohler

拥有物理学 (M.Sc.) 背景，并在 2020 年加入英飞凌雷达团队之前完成了 MBA 学业。作为产品营销人员和经理，他负责各系列英飞凌 24 和 毫米波雷达传感器。其中，Bernd 主要推动所有工业、消费和物联网相关的雷达应用，包括智能家居和智能楼宇系统。

审核编辑 黄宇